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基于LBO的OPCPA--通往千万瓦级激光器之路

时间:2024-05-20 来源:新特光电 访问量:1289

LBO晶体

用于光参量放大(OPA)的 LBO晶体具有高阈值损伤,结合啁啾脉冲放大(CPA)-(OPCPA)是实现极高激光峰值功率(兆瓦、千万瓦)的有力工具。如何实现?为什么 LBO 是最适合这一任务的晶体?

强激光束

自从 60 年前发明激光以来,研究人员一直在努力创造更强的脉冲。从高精度去除材料到外科手术中的超快脉冲,再到军事领域的火箭瞄准,强光脉冲在工业领域有很多意义,但它也能揭示宇宙的一些基本问题。激光物理学的圣杯是能够打破时空真空的强激光束。迄今为止,我们距离实现真空衰减仍有几个数量级的差距。 然而,到了 20 世纪 80 年代中期,科学家们面临着能量密度约为 1 太瓦的重大挑战。对于短脉冲来说,要想在不破坏放大材料的情况下提高光强度,实际上已不再可能。

通过啁啾脉冲放大(CPA)克服饱和以提高脉冲能量

克服这种能量密度限制的一种方法是随着峰值功率的增加而相应增大激光放大器的孔径,但所需的孔径过大是不切实际的,激光系统的效率也会很低,因为它们无法在接近饱和通量时工作,而且还会出现横向寄生激光等问题。1985 年 12 月,物理学家唐娜-斯特里克兰德(Donna Strickland)和她的导师热拉尔-穆鲁(Gérard Mourou)从有关雷达的科普文章中得到启发,终于找到了解决这一难题的简单而优雅的突破口。他们的发明简单明了--采用一个短激光脉冲,将其在时间上拉伸、放大并再次挤压在一起。当脉冲在时间上被拉伸时,其峰值功率会大大降低,因此可以在不损坏放大器的情况下对其进行大幅放大。然后,脉冲在时间上被压缩,这意味着在极小的空间范围内,更多的光被挤压在一起--脉冲的强度随之急剧增加。

斯特里克兰德和穆鲁花了数年时间才成功地将一切结合起来,但他们克服了技术上的困难。1985 年,斯特里克兰德和穆鲁首次证明,他们的优雅构想在实践中也是可行的。他们发明的啁啾脉冲放大器(CPA)将强激光器的能量阈值提高到了 1PW的能量密度。

将 LBO 光参量放大器与 CPA (OPCPA)相结合

后来,通过将 CPA 与光参量放大器(OPA)相结合,即 OPCPA,功率进一步提升了一个数量级。 分级 OPCPA 系统之所以能够提供数兆瓦的功率,是因为采用了额外的非线性晶体。 最受欢迎的非线性晶体是 LiB3O5(LBO),它可以产生高效率、宽带的二次和三次谐波,并支持高效率的 OPCPA。最近,它在更大尺寸生长方面的发展使高能量放大成为可能。这些因素表明,通过将 CPA 和 LBO 放大器结合起来,可以产生高峰值功率激光系统。这种近乎瞬时的非线性过程将泵浦脉冲的部分能量转移到种子脉冲上,从而产生三个输出:一个更强的种子脉冲或信号脉冲;一个减弱的泵浦脉冲;以及一个在泵浦和种子脉冲之间的差频上被削弱的惰性脉冲。一个具有 CPA 前端和 OPCPA 末级放大器的混合系统是制造紧凑型 10 PW 激光器的潜在设计。得益于 LBO 晶体,OPCPA 已从最初的小规模演示迅速发展到研究设施和大学中的数兆瓦和千万瓦级系统,以及众多低功率科学和工业应用。

用于 OPCPA 的解决方案

考虑到行业需求,我们设计出性能最佳的OPCPA晶体,提供大孔径LBO。晶体的卓越表面质量和光学均匀性有助于实现最低的体吸收率,这对于高功率激光器的非线性转换具有显著优势。此外,我们提供的LBO晶体无与伦比的表面吸收率确保了最高的激光损伤阈值,使其成为高功率激光应用的理想选择。

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